WD.54-L-1聲光效應(yīng)與超聲光柵實(shí)驗(yàn)儀

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1、WD.54-L-1聲光效應(yīng)與超聲光柵實(shí)驗(yàn)儀使用說(shuō)明書(shū)概論當(dāng)超聲波傳過(guò)介質(zhì)時(shí)，在其內(nèi)產(chǎn)生周期性彈性形變，從而使介質(zhì)的折射率產(chǎn)生周期性變化，和當(dāng)于一個(gè)移動(dòng)的相位光柵，稱(chēng)為聲光效應(yīng)。若同時(shí)自光傳過(guò)介質(zhì)，光將被相位光柵所衍射，稱(chēng)為聲光衍射。利用聲光衍射效應(yīng)制成的器件，稱(chēng)為聲光器件。聲光器件能快速有效地控制激光束的強(qiáng)度、方向和頻率，還可把電信號(hào)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。此外，聲光衍射還是探測(cè)材料聲學(xué)性質(zhì)的主要手段。1922年,L.N.布里淵在理論上預(yù)言了聲光衍射;1932年P(guān).J.W.德拜和F.W.席爾斯以及R.盧卡斯和P.比夸特分別觀(guān)察到了聲光衍射現(xiàn)彖。1935年拉曼

2、(Raman.C.V)和奈斯(Nath)發(fā)現(xiàn)，在一定條件下，聲光效應(yīng)的衍射光強(qiáng)分布類(lèi)似于普通光柵的衍射。這種聲光效應(yīng)稱(chēng)做拉曼一奈斯聲光衍射。木實(shí)驗(yàn)利用該物理現(xiàn)象，進(jìn)行在介質(zhì)液體中的聲速測(cè)量。從1966年到1976年期間，聲光衍射理論、新聲光材料及高性能聲光器件的設(shè)計(jì)和制造工藝都得到迅速發(fā)展。1970年，實(shí)現(xiàn)了聲表面波對(duì)導(dǎo)光波的聲光衍射，并研制成功表面(或薄膜)聲光器件。1976年后，隨著聲光技術(shù)的發(fā)展,聲光信號(hào)處理已成為光信號(hào)處理的一個(gè)分支?！緦?shí)驗(yàn)原理】1.聲光效應(yīng)與聲場(chǎng)光柵的形成當(dāng)超聲波在介質(zhì)屮傳播吋，將引起介質(zhì)的彈性應(yīng)變作吋間和空間上的周期性的變化

3、，并且導(dǎo)致介質(zhì)的折射率也發(fā)生相應(yīng)變化。當(dāng)光束通過(guò)有超聲波的介質(zhì)后就會(huì)產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，這就是聲光效應(yīng)。如聲波在傳播的過(guò)程中，遇到反射產(chǎn)生信號(hào)疊加產(chǎn)生駐波，就會(huì)更加加劇上述現(xiàn)象。設(shè)如果介質(zhì)在Y方向的高度h正好是超聲波半波長(zhǎng)的整數(shù)倍，在受到底部反射后就在介質(zhì)屮形成駐波場(chǎng)，有t/(y,r)=2t/0cosksycoscost,理論證明它使得介質(zhì)在Y方向的應(yīng)變是：S=2S()sinksy?concoJ(1)可見(jiàn)駐波的作用可以成倍的引起振幅應(yīng)變的變化，所以耍使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯,本實(shí)驗(yàn)將在駐波聲場(chǎng)中進(jìn)行。介質(zhì)的應(yīng)變S引起的折射率發(fā)生相應(yīng)的變化，它們的關(guān)系可以表示為：其中n

4、是介質(zhì)的折射率，P是應(yīng)變引起的A的光彈系數(shù)，由于在諸如水這n樣的各向同性的介質(zhì)中，P與s都是標(biāo)量，對(duì)于駐波聲場(chǎng)：A/i=一一—pS=-n3pSQsinksy?concost=-24sinksy?coscost(3)公式中A=-n>50為超聲波引起介質(zhì)的折射率變化的幅值，這樣在聲波傳播的Y方向上，折射率是以：〃()')=+An=7?0+2/1sincoscost(4)的規(guī)律發(fā)生變化，使介質(zhì)內(nèi)部疏密層次也發(fā)生相應(yīng)的變化。由駐波振動(dòng)原理可知駐波波節(jié)兩側(cè)的波段振動(dòng)方向永遠(yuǎn)相反,設(shè)一波節(jié)點(diǎn),某時(shí)刻波節(jié)兩側(cè)質(zhì)點(diǎn)涌向該點(diǎn)形成密集區(qū)，而在半個(gè)周期后質(zhì)點(diǎn)又左右散開(kāi)形成稀

5、疏區(qū)，因此在振動(dòng)過(guò)程屮相鄰節(jié)點(diǎn)光密與光疏交替排列，每隔半個(gè)周期交替變化，而同一時(shí)刻相鄰波節(jié)附近的密集與疏稀正好相反，顯見(jiàn)液體密度的空間變化間距正好為超聲波Z波長(zhǎng)，用人表示。當(dāng)光線(xiàn)垂直于超聲波傳播方向透過(guò)超聲場(chǎng)后，由于入射光的波速是聲波的IO'倍，這些變化被忽略，因此介質(zhì)在空間的分布可以認(rèn)為是靜止的。因此在光通過(guò)介質(zhì)時(shí)只有光速發(fā)生變化，從而引起相位變化，而光的振幅不變，使平面的光波波陣面而變成褶皺波陣面，這樣當(dāng)光速通過(guò)有超聲駐波場(chǎng)的介質(zhì)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生光柵效應(yīng)，介質(zhì)密的地方形成阻光層，光疏處形成透光層，聲場(chǎng)光柵就形成見(jiàn)圖3o1.超聲光柵在超聲波的頻率較高時(shí)(

6、即A較小)與光柵的作用相同。當(dāng)光通過(guò)超聲區(qū)域時(shí)產(chǎn)生了與正常光柵一樣的衍射現(xiàn)彖，經(jīng)研究表明，超聲波的頻率很高時(shí)(fNlOOMHz),而超聲水槽的厚度L較長(zhǎng)，滿(mǎn)足2^/lL?A2條件，屬于布拉格衍射，超聲水槽類(lèi)似一個(gè)體光柵；當(dāng)L不是很長(zhǎng)，超聲波的頻率也不是很高,(10MHz左右)滿(mǎn)足?A2,屬于拉曼一奈斯衍射，是位相光柵。常稱(chēng)為超聲光柵。對(duì)于拉曼一奈斯衍射其衍射規(guī)律與平行光通過(guò)平面透射光柵產(chǎn)生的衍射相似，符合以下所示的光柵方程：Asin0=KAK=0,±1,±2（其中A為超聲波之波長(zhǎng)，。是衍射角，K為衍射波級(jí)數(shù)，入是光波波長(zhǎng)）高頻信號(hào)源圖3【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?.

7、認(rèn)識(shí)光柵衍射的規(guī)律。2.了解聲光效應(yīng)。3.利用聲光效應(yīng)演示超聲光柵現(xiàn)象，并測(cè)量聲波在液體中的傳播速度。【儀器設(shè)備】1.聲場(chǎng)光柵超聲換能器頻率800KHz左右，超聲光柵換能器頻率10MH左右。2?半導(dǎo)體激光器，供電電壓5V,功率2.5mW,波長(zhǎng)635nmo1.擴(kuò)束透鏡，焦距為16mm。2.玻璃水槽：水采用去離子水或者以清潔的礦泉水代替，I大I為一旦水質(zhì)較差,會(huì)有雜質(zhì)，影響光的透明度。3.刻度屏：標(biāo)有毫米刻度，可方便地測(cè)量成像條紋的寬度。4.信號(hào)發(fā)生器DHSG-1：DDS信號(hào)發(fā)生器，頻率7000KHz-12000KHz連續(xù)可調(diào)，分辨率lKHz,用于驅(qū)動(dòng)10

8、MHz換能器（1OMHZ換能器為有機(jī)玻璃封裝）。左右旋轉(zhuǎn)頻率調(diào)節(jié)旋鈕來(lái)改變頻率大小，單擊頻率調(diào)